一种海洋牧场多参数水域信息融合监测与异常预警系统及方法与流程

本发明涉及多参数检测，具体为一种海洋牧场多参数水域信息融合监测与异常预警系统及方法。

背景技术：

1、海洋牧场通常在网箱、人工鱼礁、浮筏养殖区及其周边布设多参数水域监测设备，通过溶解氧、水温、盐度、ph、浊度、叶绿素、潮流方向和潮流速度等数据，连续获取养殖设施周边水域状态，并根据采集数据形成水质状态记录和异常预警信息。对于受涨潮和落潮交替影响的海洋牧场，固定测量节点在不同潮相下会处于不同的水流位置，同一测量节点在某一潮相中位于养殖设施上游，在另一潮相中位于养殖设施下游。

2、现有多参数水域监测方案通常将固定测量节点采集的数值直接用于阈值判断、趋势判断和多参数综合判断，在潮流换向的海洋牧场中，固定测量节点的空间角色会随潮向改变而改变，导致真实的养殖设施下游低氧、某一测量节点自身漂移污染、外部背景低氧水团进入牧场这三类情况均可能表现为局部溶解氧偏低。现有方案难以判断低氧异常是跟随水流下游位置出现，还是固定附着在某一测量节点编号上，导致真实水域异常被误判为测量异常，也可能导致测量节点故障被误判为真实水域异常，从而影响海洋牧场异常预警的准确性。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种海洋牧场多参数水域信息融合监测与异常预警系统及方法，以解决上述背景技术中提出的问题。

2、为了解决上述技术问题，本发明提供如下技术方案：一种海洋牧场多参数水域信息融合监测与异常预警系统，包括水域数据采集模块，用于在待监测养殖设施沿主潮流方向的两侧同步采集多参数水域数据和潮流数据；潮向角色确定模块，用于根据所述潮流数据确定第一测量节点和第二测量节点在当前监测时段内分别对应的上游角色和下游角色；异常类型判定模块，用于将潮流换向前后的上下游溶解氧差异与测量节点编号进行对应比较，并输出结构诱导型水域异常、测量节点异常、背景水团异常和滞留型风险中的一种判定结果，结构诱导型水域异常是指水团经过网箱、人工鱼礁或浮筏等养殖设施后，下游侧溶解氧相对上游侧降低，并且该降低现象在潮流换向后仍跟随下游角色出现的水域异常，主潮流方向是指待监测养殖设施所在水域在涨潮和落潮期间反复出现的主要水平输运方向。

3、根据上述技术方案，所述水域数据采集模块包括第一测量节点、第二测量节点和潮流采集单元，所述第一测量节点用于采集养殖设施第一侧的溶解氧及辅助水质参数，所述第二测量节点用于采集养殖设施第二侧的溶解氧及辅助水质参数，所述潮流采集单元用于采集潮流方向和潮流速度；

4、所述潮向角色确定模块包括稳定流动时段筛选子模块、上下游角色标记子模块和水团传输时间确定子模块，所述稳定流动时段筛选子模块用于根据方向稳定比例和平均潮流速度，将候选连续采样时段区分为稳定流动时段和非稳定流动监测时段，并在非稳定流动监测时段中确定平潮滞留监测时段，所述上下游角色标记子模块用于根据潮流方向标记第一测量节点和第二测量节点的上游角色及下游角色，所述水团传输时间确定子模块用于确定上游测量数据与下游测量数据之间的配对时间；

5、所述异常类型判定模块包括上下游差异计算子模块、角色跟随判定子模块、节点跟随判定子模块、背景同步判定子模块和预警输出子模块，所述上下游差异计算子模块用于计算水团经过养殖设施前后的溶解氧差异，所述角色跟随判定子模块用于判断低氧异常是否跟随下游角色出现，所述节点跟随判定子模块用于判断低氧异常是否持续对应同一测量节点编号，所述背景同步判定子模块用于判断两个测量节点是否同步进入低氧状态，所述预警输出子模块用于输出异常类型及对应的测量节点信息。

6、一种海洋牧场多参数水域信息融合监测与异常预警方法，包括如下步骤：

7、s1，采集待监测养殖设施两侧的多参数水域数据和潮流数据，所述多参数水域数据至少包括第一测量节点和第二测量节点采集的溶解氧数据，所述潮流数据包括潮流方向和潮流速度，并与多参数水域数据按照采集时刻对应存储；

8、s2，根据潮流方向确定第一测量节点和第二测量节点的上下游角色，潮流由第一测量节点流向第二测量节点时，将第一测量节点标记为上游节点，将第二测量节点标记为下游节点，潮流由第二测量节点流向第一测量节点时，将第二测量节点标记为上游节点，将第一测量节点标记为下游节点；

9、s3，按照水团从上游节点到下游节点的传输时间，对上游溶解氧数据和下游溶解氧数据进行配对，配对后的上游溶解氧数据表示水团经过养殖设施前的状态，配对后的下游溶解氧数据表示水团经过养殖设施后的状态，由此得到当前潮向下的上下游溶解氧差异；

10、s4，将潮流换向前后的上下游溶解氧差异进行比较，若低氧差异在两个相反潮向下均对应下游角色，则判定为结构诱导型水域异常，若低氧差异在两个相反潮向下均对应同一测量节点编号，则判定为测量节点异常；若两个测量节点同步进入低氧状态，则判定为背景水团异常；

11、s5，根据异常类型输出预警结果，预警结果包括异常类型、参与判定的测量节点编号、对应潮向、异常发生时段和溶解氧差异；若候选连续采样时段未满足步骤s2中关于方向稳定比例和平均潮流速度的稳定流动判定条件，则将该候选连续采样时段确定为非稳定流动监测时段；当非稳定流动监测时段的平均潮流速度小于预设有效潮流速度时，进入滞留型风险判断，并输出滞留型风险提示。

12、根据上述技术方案，所述步骤s1具体包括：

13、s1-1，将第一测量节点记为，将第二测量节点记为，第一测量节点和第二测量节点分别设置在待监测养殖设施沿主潮流方向的两侧，第一测量节点与第二测量节点沿主潮流方向的间距记为；

14、s1-2，在同一采样时刻，第一测量节点采集溶解氧值和辅助水质参数组，第二测量节点采集溶解氧值和辅助水质参数组，潮流采集单元采集潮流速度和潮流方向；其中，辅助水质参数组包括第一测量节点采集的水温、盐度、ph和浊度，辅助水质参数组包括第二测量节点采集的水温、盐度、ph和浊度；

15、s1-3，由于水团在第一测量节点和第二测量节点之间的输运时间受连续时段内整体潮流速度影响，先对该连续采样时段内的潮流速度样本进行平均，以得到用于后续水团传输时间计算的代表性潮流速度，对连续采样时段内的潮流速度进行平均处理，得到平均潮流速度，计算方式为：，其中，表示连续采样时段内的平均潮流速度，至表示该连续采样时段内依次取得的潮流速度样本，表示该连续采样时段内的潮流速度样本数量；上述公式用于获得该连续采样时段内的整体水团输运强度，避免单次潮流速度波动影响后续上下游配对。

16、根据上述技术方案，所述步骤s2具体包括：

17、s2-1，根据潮流方向确定当前水团输运方向；当潮流方向表示水团由第一测量节点流向第二测量节点时，将该连续采样时段记为ab向时段；当潮流方向表示水团由第二测量节点流向第一测量节点时，将该连续采样时段记为ba向时段；

18、s2-2，对候选连续采样时段计算方向稳定比例，计算方式为：，其中，表示方向稳定比例，表示候选连续采样时段内潮流方向保持同一输运方向的样本数量，表示该候选连续采样时段内的潮流方向样本数量，h为大于0的整数；上述公式用于判断该候选连续采样时段内水团输运方向是否稳定；

19、s2-3，当方向稳定比例不小于预设方向稳定比例，并且平均潮流速度不小于预设有效潮流速度时，将该候选连续采样时段确定为稳定流动时段；未满足上述条件时，将该候选连续采样时段确定为非稳定流动监测时段，时将该非稳定流动监测时段作为平潮滞留监测时段，预设方向稳定比例由系统预先设定并存储，为0至1之间的数，由系统预先设定并存储且为正数。

20、根据上述技术方案，所述步骤s3具体包括：

21、s3-1，在稳定流动时段内，根据第一测量节点与第二测量节点沿主潮流方向的间距和平均潮流速度，计算水团传输时间，计算方式为：，其中，表示水团由上游节点输运至下游节点所需的传输时间；上述公式用于将上游测量数据与同一水团到达下游后的测量数据进行时间对应；

22、s3-2，由于第一测量节点a和第二测量节点b的溶解氧数据按照固定采样间隔离散存储，需要将水团传输时间转换为采样序列中的步数，使上游采样值能够与同一水团到达下游后的采样值对应，根据水团传输时间和采样间隔，确定配对步数，计算方式为：，其中，表示上游采样时刻与下游配对采样时刻之间相隔的采样步数，表示相邻两次采样之间的时间间隔；当存在小数时，取与最接近的整数，当取整后的结果小于1时，令k=1，以保证上游采样值与下游采样值之间具有至少一个采样间隔的传输对应关系；

23、s3-3，在完成采样步数配对后，通过上游节点溶解氧值减去下游节点溶解氧值，得到水团经过养殖设施后的溶解氧降低量，该降低量用于表征养殖设施对下游水体的耗氧影响，在ab向时段内，将与配对，并计算ab向溶解氧差异，计算方式为：，在ba向时段内，将与配对，并计算ba向溶解氧差异，计算方式为：，其中，表示稳定流动时段内的采样序号，表示ab向时段内水团经过养殖设施后的溶解氧降低量，表示ba向时段内水团经过养殖设施后的溶解氧降低量；和为正值时，表示下游节点的溶解氧低于传输时间配对后的上游节点溶解氧。

24、根据上述技术方案，所述步骤s4具体包括：

25、s4-1，在同一监测周期内，异常类型判定按照步骤s4-3的背景水团异常判定条件、步骤s4-1的结构诱导型水域异常判定条件、步骤s4-2的测量节点异常判定条件的顺序执行；当前一判定条件成立时，输出对应异常类型，并停止对该同一监测周期内后续异常类型的判定，在进行潮流换向前后的比较时，将一个ab向稳定流动时段和与其相邻的一个ba向稳定流动时段组成同一监测周期，并将两个稳定流动时段内的有效配对样本分别按照本时段起始时刻重新编号，重新编号后的采样序号i用于表示各自稳定流动时段内相同顺序的有效配对样本，不表示两个相反潮向时段处于同一绝对采样时刻，设预设溶解氧差异阈值为，当同一监测周期内不小于，且不小于时，判定低氧异常在潮流换向前后均跟随下游角色出现，并输出结构诱导型水域异常；

26、s4-2，当同一监测周期内不大于，且不小于时，判定低氧异常在潮流换向前后均对应第一测量节点，并输出第一测量节点异常；当同一监测周期内不小于，且不大于时，判定低氧异常在潮流换向前后均对应第二测量节点，并输出第二测量节点异常；

27、s4-3，背景水团异常用于表征两个测量节点同时受到外部低氧水团影响的情况，该情况关注两个测量节点在同一采样时刻的同步低氧状态，不进行上游至下游的传输时间配对，设同一采样时刻下第一测量节点与第二测量节点的同步差异为，计算方式为：，其中，表示同一采样时刻下两个测量节点的溶解氧同步差异；设背景同步阈值为，设低氧判定阈值为，当不大于，并且不大于，不大于时，判定两个测量节点同步进入低氧状态，并输出背景水团异常，在输出背景水团异常时，将辅助水质参数组和中的水温、盐度、ph、浊度作为背景水团异常的辅助记录字段一并输出。

28、根据上述技术方案，所述步骤s5具体包括：

29、s5-1，当输出结构诱导型水域异常时，预警结果记录当前潮向、上游节点编号、下游节点编号、、和对应发生时段；当输出测量节点异常时，预警结果记录异常测量节点编号、触发判定的、、对应的两个相反潮向时段和异常持续时长；当输出背景水团异常时，预警结果记录、、、两个测量节点同步进入低氧状态的开始时刻和结束时刻，异常持续时长为同一异常类型的判定条件在连续有效配对样本序号上持续成立的采样次数与采样间隔δt的乘积；

30、s5-2，对于步骤s2确定的平潮滞留监测时段，在平潮滞留监测时段内，潮流方向不足以形成稳定的上下游角色，因此采用两个测量节点在该时段内的溶解氧下降速率判断水体滞留导致的同步耗氧风险，计算第一测量节点的溶解氧下降速率和第二测量节点的溶解氧下降速率，计算方式为：，，其中，表示平潮滞留监测时段内第一测量节点的溶解氧下降速率，表示平潮滞留监测时段内第二测量节点的溶解氧下降速率，表示平潮滞留监测时段的开始时刻，表示平潮滞留监测时段的结束时刻；上述公式用于判断潮流输运不足时两个测量节点的同步耗氧程度；

31、s5-3，设预设滞留下降速率阈值为，当且时，输出第一测量节点下降提示；当且时，输出第二测量节点下降提示；所述第一测量节点下降提示和第二测量节点下降提示用于提示对应测量节点存在局部溶解氧下降，不作为滞留型风险输出，当且时，输出滞留型风险，当且时，维持当前监测状态，不输出滞留型风险，所述第一测量节点下降提示和第二测量节点下降提示仅作为局部溶解氧下降提示信息，不作为异常类型判定结果输出。

32、与现有技术相比，本发明所达到的有益效果是：本发明利用海洋牧场潮流换向这一现场自然条件，使两个固定测量节点在不同潮相下分别承担上游参照和下游受影响测量的角色，通过比较潮流换向前后的上下游溶解氧差异，能够识别养殖设施诱导的真实下游低氧；通过判断异常是否持续对应同一测量节点编号，能够识别测量节点漂移污染；通过判断两个测量节点是否同步下降，能够识别背景低氧水团进入牧场。由此提高异常预警结果与实际水域状态的一致性，减少低氧误报和漏报，并且无需增加复杂执行机构，适合归入多变量测量、测量结果校验及异常指示类方案。